徐添，蔡一平，楚士冀，石麗建*，朱軍，江宇航

(1. 揚州大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 揚州 225100；2. 江蘇省水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210000；3. 國際小水電中心，浙江 杭州 310002)

近年來，軸流泵在農(nóng)業(yè)灌溉、城市供水、跨流域調(diào)水等大型泵站工程方面得到廣泛的應(yīng)用，其典型特點是流量大、揚程低[1].而工程用泵常常需要滿足大流量、高揚程的要求，此時單葉輪軸流泵就難以滿足應(yīng)用需求.對旋式軸流泵是一種特殊的軸流泵，它是由2個旋轉(zhuǎn)方向相反的葉輪構(gòu)成.對旋式葉片在直升機、通風(fēng)機及潛艇的動力裝置上應(yīng)用成熟，對旋式軸流泵克服了雙級軸流泵軸向尺寸較大的問題，但由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在泵站工程較少采用.但由于其具有流量大、揚程高、運行高效區(qū)寬等特點，在工程上具有較好的應(yīng)用前景，有利于推動流體機械及水利事業(yè)的進一步發(fā)展.

目前，對旋式軸流泵受到了眾多國內(nèi)外學(xué)者的普遍重視.王德軍等[2]、孫壯壯等[3]和王俊[4]均以對旋式軸流泵為研究對象，對其內(nèi)部流場進行分析，研究并總結(jié)出對旋式軸流泵擁有較為優(yōu)秀水力性能的結(jié)論.孫壯壯[5]、王國玉等[6]采用數(shù)值模擬的方法研究了串列式軸流泵的內(nèi)部流場，得出前、后置葉輪的水力性能明顯不同.CAO等[7]研究了對旋式軸流泵后置葉輪的設(shè)計方法，考慮了后置葉輪葉尖處來流的速度缺陷，通過優(yōu)化進一步提高了后置葉輪的性能.FURUKAWA等[8]對前后置葉輪進行組合試驗，提出了對旋式軸流泵的運行高效區(qū)比普通軸流泵寬23%.宋娟娟[9]、幸欣等[10]和程德磊等[11]研究了改變對旋風(fēng)機前后置葉輪安放角后其性能的變化，得出第二級葉輪葉片安放角的改變對運行效率的影響較大.CHOI等[12]、SHI等[13-14]基于數(shù)值模擬的方法，采用k-ε紊流模型，證明了數(shù)值模擬技術(shù)的可靠性.當(dāng)前對于對旋式軸流泵的研究較少，特別是對于對旋式軸流泵后置葉輪水力性能的研究十分匱乏.

文中基于前人的研究思路，采用數(shù)值模擬和模型試驗相結(jié)合的方法，研究對旋式軸流泵的水力性能，并進一步與ZML水泵模型的性能進行比較，進而研究后置葉輪對其水力性能的影響，擬為對旋式軸流泵裝置的優(yōu)化設(shè)計提供參考.

1 研究對象

1.1 計算模型

對旋式軸流泵模型是由進水直管、前置葉輪、后置葉輪、出水彎管這4個部分組成.其中前、后置葉輪模型均為ZML高效軸流泵模型葉輪，翼型均采用NACA06翼型.葉輪水力模型主要設(shè)計參數(shù)：設(shè)計流量Qd=360 L/s，設(shè)計揚程Hd=5.5 m，轉(zhuǎn)速n=1 450 r/min，葉輪直徑D=300 mm，前置葉輪葉片數(shù)為4片，后置葉輪葉片數(shù)為4片.計算模型如圖1所示.

圖1 泵裝置模型

1.2 控制方程及邊界條件

利用ANSYS CFX商業(yè)軟件進行數(shù)值計算，控制方程采用雷諾時均N-S方程，紊流模型采用標準k-ε模型.標準k-ε湍流模型是在工業(yè)應(yīng)用中被普遍使用的湍流模型，其計算收斂性和精確性能夠符合工程計算要求.考慮到對旋式軸流泵裝置內(nèi)部流線并無較大彎曲，且主要預(yù)測其裝置外特性，因此采用標準k-ε模型計算.最大迭代步數(shù)為1 500步，收斂精度為10-5.進口邊界條件設(shè)置為總壓進口，壓力設(shè)為1.013×105Pa；出口邊界條件設(shè)置為質(zhì)量流量出流；葉輪設(shè)置為旋轉(zhuǎn)域，其他區(qū)域為靜止域.固體壁面邊界包括葉片表面、輪轂表面、葉輪輪緣的內(nèi)表面等，采用滿足黏性流體的無滑移條件，近壁區(qū)采用標準壁面函數(shù)邊界條件.對于靜止域和旋轉(zhuǎn)域及旋轉(zhuǎn)域和旋轉(zhuǎn)域之間的動靜交界面采用Stage模型，其余各交界面均采用None交界面.

1.3 網(wǎng)格劃分及無關(guān)性分析

文中根據(jù)伯努利能量方程計算對旋式軸流泵揚程H，由數(shù)值模擬計算得到的速度場和壓力場以及葉輪上作用的扭矩來預(yù)測軸流泵葉輪的水力性能.

對旋式軸流泵揚程的計算公式為

H=(pTout-pTin)/(ρg)，

(1)

式中：pTout為出口斷面總壓，Pa；pTin為進口斷面總壓，Pa；ρ為液體密度；g為重力加速度.

對旋式軸流泵效率的計算公式為

(2)

式中：M1和M2分別為電動機軸作用于前置葉輪和后置葉輪的力矩，N·m；ω為葉輪旋轉(zhuǎn)角速度，rad/s；Q為流量，L/s；H為揚程，m.

由于計算精度受網(wǎng)格的質(zhì)量影響較大，文中采用Turbo-Grid軟件對前、后置葉輪進行網(wǎng)格劃分，其余部件采用ICEM軟件進行結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，最終保證網(wǎng)格質(zhì)量均在0.3以上.通過網(wǎng)格無關(guān)性驗證滿足數(shù)值模擬計算要求時，得到各部件網(wǎng)格數(shù)量，其中進水管道網(wǎng)格數(shù)量為24萬，出水管道網(wǎng)格數(shù)量為35萬，前置葉輪與后置葉輪網(wǎng)格數(shù)量均為58萬.葉輪部件及出水管道網(wǎng)格圖如圖2所示.

圖2 網(wǎng)格劃分

對旋式軸流泵在運行時，前、后置葉輪起主導(dǎo)作用，因此前、后置葉輪的網(wǎng)格數(shù)量對數(shù)值模擬計算結(jié)果的精確性起決定性作用，故需對葉輪總網(wǎng)格數(shù)進行網(wǎng)格無關(guān)性分析，如圖3所示.由圖3可以看出，前、后置葉輪總網(wǎng)格數(shù)在110萬時，網(wǎng)格數(shù)量的增加對泵裝置效率的影響很小，為了減少計算工作量和節(jié)約計算資源，最終選取前、后置葉輪總網(wǎng)格數(shù)為116萬左右.

圖3 對旋式軸流泵葉輪網(wǎng)格無關(guān)性分析

2 數(shù)值結(jié)果驗證

模型泵采用ZML水泵水力模型.ZML模型泵由ZML葉輪和DYZML導(dǎo)葉組成.名義葉輪直徑D1=300 mm，實際葉輪直徑D2=299.65 mm. ZML葉輪實物如圖4a所示，其輪轂比為 0.4，葉片數(shù)為4，葉輪采用黃銅材料經(jīng)數(shù)控加工成形.DYZML導(dǎo)葉如圖4b所示，其輪轂直徑為110 mm，葉片數(shù)為7，采用鋼質(zhì)材料焊接成形.

圖4 試驗部件及系統(tǒng)實物圖

圖5為ZML水泵模型裝置試驗和數(shù)值模擬外特性對比情況.從圖中可以看出，ZML水力模型數(shù)值模擬的Q-H和Q-η曲線均與對應(yīng)試驗曲線吻合得較好.設(shè)計工況Q=360 L/s時，ZML水力模型測試效率為84.48%，揚程為5.15 m.數(shù)值模擬最高效率為84.13%，試驗測試最高運行效率為84.60%，偏差為0.47%.總體而言，數(shù)值模擬結(jié)果是準確可靠的.

圖5 ZML水泵模型裝置試驗與數(shù)值模擬外特性對比

將ZML水力模型葉輪數(shù)值模擬結(jié)果與對旋式軸流泵前置葉輪數(shù)值模擬結(jié)果進行對比，其外特性曲線如圖6所示.ZML水力模型葉輪數(shù)值模擬結(jié)果與對旋式軸流泵裝置前置葉輪數(shù)值模擬結(jié)果整體趨勢一致，偏差較小.文中對旋式軸流泵的后置葉輪與前置葉輪為同一個葉輪.在性能上，前置葉輪水力性能與正常水泵葉輪性能一致，但后置葉輪與前置葉輪差別較大.文中針對后置葉輪的水力性能進行詳細分析.

圖6 ZML數(shù)值模擬與對旋泵前置葉輪外特性對比

3 計算結(jié)果分析

3.1 對旋式軸流泵外特性分析

對不同工況下對旋式軸流泵進行數(shù)值模擬，獲取其不同工況下的水力性能，其性能曲線如圖7所示.從圖7可以看出，泵裝置最優(yōu)工況對應(yīng)的流量為360 L/s，其最優(yōu)效率為87.57%，揚程為11.32 m；而ZML水泵模型最優(yōu)工況點流量為360 L/s，揚程為5.06 m，效率為84.13%.可見，在最優(yōu)工況下，較ZML水泵模型對旋式軸流泵在最優(yōu)工況點揚程提高了6.26 m，效率提高了3.44%.在小流量工況下，流量為300 L/s時，泵提前進入馬鞍區(qū)，此時泵揚程為14.06 m，效率為79.48%；在大流量工況下，流量為440 L/s時，泵揚程為2.24 m,效率為54.16%.對旋式軸流泵裝置高效區(qū)(最高效率點下降5.00%的2個點所對應(yīng)的流量點之間的范圍[14-15])范圍更寬，揚程提高了約一倍.

圖7 對旋泵與ZML水泵模型外特性對比

從數(shù)值模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在揚程方面，各工況下對旋式軸流泵的揚程明顯大于普通軸流泵；在效率方面，對旋式軸流泵效率曲線更加平坦、穩(wěn)定，高效區(qū)范圍更寬，且高效區(qū)往大流量偏移，高效區(qū)范圍約為ZML水泵模型的1.5倍，最高效率為87.57%.

3.2 前、后置葉輪外特性對比分析

圖8為對旋式軸流泵前、后置葉輪外特性曲線.從圖8可以看出，在設(shè)計工況Q=360 L/s時，前、后置葉輪效率相差約1.02%，但后置葉輪揚程較前置葉輪揚程高3.01 m，進口流場的旋轉(zhuǎn)會增加葉輪葉片的做功能力.后置葉輪Q-H曲線明顯高于前置葉輪，以揚程開始出現(xiàn)正斜率時為臨界點，后置葉輪提前進入馬鞍區(qū).

圖8 對旋式軸流泵前、后置葉輪外特性對比

3.3 壓力云圖分布

圖9，10分別為不同流量下前、后置葉輪的壓力分布云圖.由圖可知，在各個流量工況下，后置葉輪吸力面與壓力面的平均壓差為711 795 Pa，大于前置葉輪的平均壓差602 964 Pa，這也解釋了對旋式軸流泵后置葉輪比前置葉輪揚程高的原因.在小流量工況下，對旋泵前、后置葉輪壓力面的壓力值沿輪轂到輪緣均逐漸升高，而吸力面的壓力值沿葉片進口到出口逐漸升高.隨著流量的增大，前、后置葉輪壓力梯度變化較小，吸力面的壓力值沿葉片進口到出口呈先減小后增大的趨勢，且在葉片吸力面的中部存在明顯的低壓區(qū)，后置葉輪吸力面的壓力梯度變化較大.在大流量工況下，對旋泵前、后置葉輪的壓力面的進口處均存在明顯低壓區(qū)，這說明水流經(jīng)過前置葉輪后其射流角度在后置葉輪背面.在設(shè)計流量工況下，對旋泵后置葉輪背面的壓力梯度較前置葉輪變化較大，分布不均勻，使得后置葉輪效率明顯低于前置葉輪效率.

圖9 對旋泵前置葉輪葉片壓力云圖

圖10 對旋泵后置葉輪葉片壓力云圖

3.4 流場分析

對旋式軸流泵不同流量下前、后置葉輪的二維流線圖如圖11所示.由圖11可以看出，在小流量工況下，后置葉輪內(nèi)存在局部旋渦，且脫流現(xiàn)象嚴重，這會增加后置葉輪的水力損失，降低整個泵段的效率.隨著流量增大，旋渦區(qū)域逐漸減小，在設(shè)計工況和大流量工況下，后置葉輪區(qū)域流態(tài)基本平順，沒有明顯的脫流和旋渦區(qū)域.在小流量工況下，后置葉輪的進口液流角不合理，導(dǎo)致后置葉輪進口流場條件較差，從而干擾了后置葉輪出口處的流場分布.隨著流量的增大，后置葉輪進口液流角分布逐漸合理，進水條件明顯改善，后置葉輪內(nèi)流態(tài)不斷改善，無脫流和旋渦現(xiàn)象.

圖11 對旋式軸流泵葉展方向0.2斷面的二維流線分布

3.5 葉展方向進口液流角分布分析

設(shè)計工況下ZML葉輪斷面翼型安放角與對旋泵前、后置葉輪從輪轂到輪緣方向的進口液流角α分布如圖12所示.圖中span表示葉輪葉展方向跨度，其中，輪轂處為0，輪緣處為1.0.從圖中可看出，在設(shè)計工況下，前、后置葉輪進口液流角α變化趨勢與ZML葉輪斷面翼型安放角變化趨勢一致，進口液流角從輪轂到輪緣呈現(xiàn)減小趨勢.前置葉輪的進口液流角與ZML葉片進口角更為貼近，最大差別位于輪轂區(qū)域，相差約為12.69°，這在一定程度上說明了前置葉輪進口水流流態(tài)好，做功能力的穩(wěn)定性好，流量-效率曲線高效區(qū)范圍比較寬.后置葉輪進口液流角與ZML葉片安放角相差較大，在輪轂區(qū)域，ZML葉輪葉片安放角比后置葉輪進口液流角高了約20.64°；而在輪緣區(qū)域，后置葉輪和前置葉輪的進口水流均為負沖角，但后置葉輪進口液流角更接近葉片安放角，基本屬于無沖擊入流，這就導(dǎo)致了后置葉輪在大流量工況下效率要優(yōu)于前置葉輪.總體上，后置葉輪的水流進口沖角要大于前置葉輪，導(dǎo)致后置葉輪葉片做功能力增強，后置葉輪揚程增大.

圖12 對旋式軸流泵葉展方向進口液流角分布

3.6 后置葉輪安放角的影響分析

后置葉輪角度為0°時，水流經(jīng)過前置葉輪進入后置葉輪的沖角較大，導(dǎo)致后置葉輪翼型工作能力下降.由于安放角越大，沖角越大，葉輪產(chǎn)生較大的脫流現(xiàn)象.為達到前置葉輪的水力性能，減小沖角，提高后置葉輪的水力性能，文中選擇將后置葉輪安放角角度調(diào)整為-2°.外特性對比如圖13所示，后置葉輪安放角為-2°時，其Q-H曲線略低于后置葉輪安放角為0°時，在設(shè)計工況Q=360 L/s時，兩者揚程相差1.18 m.在小流量工況下，后置葉輪安放角為-2°時，其Q-η曲線略高于后置葉輪安放角為0°時，而在大流量工況下，后置葉輪安放角為-2°時，Q-η曲線略低于后置葉輪安放角為0°時，兩者最大相差15.68%.這是由于后置葉輪安放角變小后，在輪緣處產(chǎn)生負沖角，壓力面頭部產(chǎn)生了較大的脫流現(xiàn)象，導(dǎo)致后置葉輪的做功能力降低，揚程曲線降低，效率曲線反而沒有后置葉輪安放角為0°時穩(wěn)定、高效.改變后置葉輪安放角，特別在小流量工況下，后置葉輪的馬鞍區(qū)同樣提前，后置葉輪的進口液流角幾乎相同，未達到改變安放角理想效果.因此后置葉輪不能同前置葉輪設(shè)計相同，需要重新調(diào)整進口角度.

圖13 對旋式軸流泵后置葉輪0°，-2°外特性對比

4 結(jié) 論

1) 對旋式裝置最優(yōu)工況對應(yīng)的流量為360 L/s，其最優(yōu)效率為87.57%，揚程為11.32 m;ZML水泵模型最優(yōu)工況點流量為360 L/s，其揚程為5.06 m，效率為84.13%.故在最優(yōu)工況下對旋式軸流泵揚程較ZML水泵模型提高了6.26 m，效率提高了3.44%.

2) 較普通軸流泵，對旋式軸流泵各工況下的揚程明顯提高.效率曲線更加平坦、穩(wěn)定，高效區(qū)范圍更寬廣，且高效區(qū)往大流量偏移，高效區(qū)范圍約為普通軸流泵的1.5倍.